突破3D打印瓶颈，科学家提出无聚合物高精度金属与合金自由空间直写技术！

【科学背景】

随着纳米技术的发展，纳米尺度三维（3D）打印技术逐渐成为研究热点。金属和合金的纳米3D打印在电子学、纳米机器人和芯片制造等领域展现出了巨大的应用潜力。然而，传统的纳米制造方法面临着速度慢、微型化困难以及材料性能不足等挑战。例如，光刻技术在材料选择和处理速度上存在限制，且通常只适用于二维平面几何形状。尽管电化学方法能够实现高分辨率金属打印，但其复杂性和有限的材料选择使得其在工业应用中受限。

为了解决这些问题，武汉大学Gary J. Cheng教授团队提出了一种基于双光子分解（TPD）和光学力捕获的新型无聚合物3D打印方法。这种方法利用超快激光诱导的TPD对金属前驱体进行分解，通过光学力快速组装纳米晶体，并进行超快激光烧结，从而实现了高分辨率（100纳米至358纳米）和高密度的金属、金属氧化物及多金属合金的3D打印。

该技术不仅突破了光学衍射极限，还消除了对有机材料的需求和复杂的后处理工序。此外，激光诱导的局域表面等离子体共振（LSPR）进一步增强了光学力，促进了纳米晶体的聚集，形成了致密且光滑的纳米结构。实验结果表明，打印的Mo纳米线和Mo-Co-W合金纳米线在机械性能上表现出色，分别在抗拉和抗压强度方面优于传统制造方法。这一创新为高质量金属和金属氧化物的定制化3D打印开辟了新的技术路径，并在纳米电子学、纳米机器人和芯片制造等领域具有广泛的应用前景。

【科学亮点】

1. 实验首次实现了基于双光子分解（TPD）的无聚合物方法，成功进行了金属、金属氧化物和多金属合金的自由空间直接3D打印，分辨率达到100纳米。这一方法通过超快激光诱导TPD，将前驱体化合物中的金属原子分解为纳米晶体，并通过光学力驱动其快速组装，再通过超快激光烧结形成致密光滑的纳米结构。

2. 实验通过激光诱导的局域表面等离子体共振（LSPR）增强了光学力，从而促进了纳米晶体的聚集，得到了更密集、更光滑的纳米结构，并成功实现了复杂的3D设计。

3. 数值模拟揭示了LSPR诱导光学力在纳米颗粒组装过程中的关键作用。实验结果表明，打印的Mo纳米线具有优异的抗压和抗拉强度，而Mo-Co-W合金纳米线在抗拉强度方面表现更佳，展示了通过成分调整轻松实现结构性能控制的优势。

【科学图文】

图1：3D纳米打印过程及结构的工艺方案、机制、模拟与示范。

图2：打印的金属、合金及金属氧化物的表征。

图3：线性和曲线3D纳米结构。

图4：Co晶格、Mo纳米线及合金纳米线的原位机械测试。

【科学启迪】

综上所述，本研究在激光增材制造领域中纳米尺度金属和合金的3D打印这一长期挑战中取得了突破。作者引入了一种基于TPD的无聚合物方法，实现了高密度金属、金属氧化物和多金属合金的自由空间直接3D打印，材料性能可定制，分辨率达100纳米。该技术利用超快激光照射下前驱体化合物的同时TPD，随后通过光学力驱动纳米晶体的快速组装及超快激光烧结，从而通过调整激光参数实现对晶粒形态和尺寸的精确控制。

此外，通过激光诱导的LSPR增强光学力，促进了纳米晶体的聚集，形成更致密、更光滑的纳米结构，并实现了复杂的3D设计。作者的数值模拟深入理解了纳米颗粒组装过程中的物理原理，特别强调了LSPR诱导的光学力的作用。此外，该方法无需有机材料和复杂的后处理，突破了光学衍射极限，并提供了对材料性能的出色控制。力学评估显示了打印纳米线的优异性能。Mo纳米线表现出优异的抗压和抗拉强度，而合金纳米线则表现出更好的抗拉强度，突显了通过成分调整轻松实现结构控制的优势。

参考文献：Wang, Y., Yi, C., Tian, W. et al. Free-space direct nanoscale 3D printing of metals and alloys enabled by two-photon decomposition and ultrafast optical trapping. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01984-z